CN103052508B - 宽阵列喷墨打印头组件及其组装方法 - Google Patents

Abstract

一种具有核芯携载器的宽阵列喷墨打印头组件，其包括通过具有多个开口的歧管传送流体的构架。所述开口按开口节距分隔开。多个喷墨核芯包括具有比开口节距小的沟槽节距的沟槽。多个核芯携载器包括多个倾斜锥形通道，所述倾斜锥形通道的一端具有与所述开口节距相匹配的节距并且与所述构架接口，所述倾斜锥形通道的另一端具有与所述沟槽节距相匹配的节距并且与所述喷墨核芯接口。还描述了一种组装宽阵列喷墨打印头组件的方法。

Description

宽阵列喷墨打印头组件及其组装方法

背景技术

宽阵列喷墨打印头组件通常在基片被馈送通过打印机时会横跨基片的宽度沉积墨水。由于宽阵列打印头基本与基片一样宽，因此不需要移动打印头。然而，宽阵列喷墨打印头组件的增大的尺寸也增加零件数量，增加打印头成本，并导致更严格的制造公差。

附图说明

附图示出了本文所描述原理的各种实施例并且是说明书的一部分。所示实施例仅仅是些例子，并不限制权利要求的范围。

图1是根据本文所描述原理的一个实施例的示例性宽阵列喷墨打印头组件的透视图。

图2是根据本文所描述原理的一个实施例的示例性宽阵列喷墨打印头组件的局部剖除视图。

图3A是根据本文所描述原理的一个实施例的包括核芯（die）携载器的示例性核芯组件的分解图。

图3B是根据本文所描述原理的一个实施例的包括核芯携载器的示例性核芯组件的透视图。

图4是根据本文所描述原理的一个实施例的宽阵列喷墨打印头组件的横截面视图。

图5A和5B是根据本文所描述原理的一个实施例的、在向喷墨核芯供料的示例性缝槽中的气泡的横截面视图。

图6是根据本文所描述原理的一个实施例的组装宽阵列喷墨打印头组件的示例性方法的流程图。

附图中，相同的附图标记表示相似但未必完全相同的元件。

具体实施方式

宽阵列喷墨打印头组件通常在基片被馈送通过打印机时会横跨基片的宽度沉积墨水。由于宽阵列打印头基本与基片一样宽，因此不需要移动打印头。然而，宽阵列喷墨打印头组件的增大的尺寸也会增加零件数量，增加打印头成本，并导致更严格的制造公差。

根据一个示例性实施例，宽阵列喷墨打印头组件由打印头核芯阵列组成。这些打印头核芯是打印头组件中最精密的零件之一并且包含墨滴喷射机构。例如，打印头核芯可以包含热式、压电式或MEMs喷射元件。这些喷射元件被启动以迫使流体滴排出该阵列喷嘴之外。这些滴可以具有约1至30皮升的体积。所述滴可以呈墨滴形式，被沉积在基片上以产生所需图像。

打印头组件的其余部分支持打印头核芯的这种滴喷射功能。例如，打印头组件在结构上支撑打印头核芯，向每个打印头核芯提供电连接，并且将墨水路由（route）到每个打印头核芯中的每个喷嘴。

在一个实施例中，在将所得到的模块安装到歧管组件之前，每个打印头核芯都被利用单独的核芯携载器封装。核芯携载器用作歧管组件和喷墨核芯之间的物理和流体接口。核芯携载器的使用允许打印头构造中的模块化，并且允许歧管被形成为具有更大、精密度不那么高的特征。因此，可以用低成本的材料和制造方法来形成歧管。这可以显著降低生产歧管的成本，同时保持或提高打印头的打印性能。

在下面的描述中，出于解释说明的目的，描述了许多具体的细节，以提供对本系统和方法的彻底理解。然而，对本领域技术人员来说显然的是，本设备、系统和方法可被实施为并不具有这些具体的细节。说明书中提到的“实施例”、“例子”或类似用语表示联系盖实施例或例子描述的特定特征、结构或特性至少包括在那个实施例中，但是不一定包括在其它实施例中。短语“在一个实施例中”或类似短语在说明书各处出现的各种情况不一定全都是指代相同的实施例。

图1是示例性宽阵列喷墨打印头组件100的透视图。打印头100包括构架115、多个喷墨核芯105、盖罩110、电路板125和排线125，排线125将核芯105电连接到电路板125。构架115在结构上支撑着打印头核芯105并且将墨水或任意其它合适的流体路由到每个打印头核芯105。构架115内的歧管结构从墨水储器接收墨水并将墨水分配到各个核芯105。盖罩110附连到构架115并且包围着核芯组件，以在不使用核芯105时为位于核芯105上的盖子提供密封表面。盖罩110和盖子防止核芯105变干以及随后出现的故障。盖罩110可以利用多种工艺由许多材料制成。根据一个示例性实施例，盖罩110利用金属片技术由不锈钢形成。

电路板125对核芯105中各独立喷发机构进行电控制，从而从核芯105喷射适当颜色、数量和图案的墨水，以在基片上产生所需图像。电路板125通过排线（flex cables）120与核芯105连接。排线120包含夹在两个柔性片材之间的多条平行导体。通常，柔性片材是塑料，诸如聚酰亚胺、聚酯或PEEK膜。在2010年8月XX日由Silam J. Choy提交的发明名称为“Wide-Array Inkjet Printhead Assembly with a Shroud”，代理人卷号为201000617的美国专利申请No. XX/XXX,XXX中，讨论了盖罩110、排线120、排线120端部处的电连接部、电路板125以及对电连接部上的盖罩110的周缘的密封，在此通过引用将该申请的全部内容并入本文。

喷墨核芯105是打印头组件100中最精密的部件之一并且占打印头100成本的相当大部分。在热喷墨系统中，通常利用光刻或其它技术由硅来制造核芯105，以产生被布置在沿核芯105长度的沟槽中的喷发腔。所述喷发腔包括空穴、与空穴相邻的电阻加热器、以及喷嘴。墨水或任意其它合适的流体被馈送到沟槽中并进入喷发腔的空穴中。为了喷射墨滴，电流穿过排线120到达电阻加热器。加热器迅速加热到墨水沸点以上的温度。这在被墨水填充的空穴中产生局部蒸汽泡并且急剧地增加空穴中的压力。这使得墨滴从喷嘴中喷射出。在去除电流之后，加热器迅速冷却并且蒸汽泡崩塌，由此将更多液体从沟槽吸引到空穴中。出于例示的目的，在图中简化了核芯105的几何结构。核芯105被示为具有四个平行沟槽，其沿核芯105的实质长度延伸并且每个沟槽用于特定的墨水颜色。例如，每个核芯105可以分配品红色、蓝绿色、黄色和黑色墨水。以交错构造布置核芯，从而使得核芯105的沟槽能够横跨通过打印头100下方的基片的基本上整个宽度分配每种颜色的墨水。

为了确保高打印质量，喷墨核芯105阵列应该在全部六个运动自由度上紧密排列。例如，所有打印头100可以在100至200微米的范围内共面，以确保喷嘴到介质的距离基本相等。这改进了介质在打印头下连续前进时的滴位置。喷嘴到介质距离的变化越大，墨点位置误差越大。

在大多数实施例中，打印头100至少与介质的尺寸一样长。例如对于A4介质，交错的核芯105阵列为至少210毫米长或可能更长。此外，为了打印质量，打印头100应该以相对均匀的压力将墨水传送到核芯105。这有助于保证通过喷墨核芯105传送的墨滴均匀。

图2是示例性宽阵列喷射打印头组件100的局部剖除视图。在此图中，已经部分地切除了盖罩110，以示出下面的核芯携载器107、109和打印头100的其它方面。在一个实施例中，左侧和右侧核芯携载器107、109都相同，但朝向不同方向。由于核芯携载器107、109相同，因此仅需要制造单个核芯携载器设计。较大的批量生产致使每个部件的成本较低。

如上面所讨论的，排线120将每个核芯携载器107、109连接到电路板125。排线120的第一端与电路板120形成第一连接部，在图2中被标记为板连接部122。排线120的另一端与核芯105上的接触焊接点形成第二连接部，在图2中被标记为核芯连接部124。可以以各种方式形成这些连接部122、124。核芯连接部124的一个设计方面在于，在排线120离开核芯连接部124时，核芯连接部124和排线120不应该干扰盖罩110的装配。

盖罩110包括被密封到构架115的周缘法兰112。盖罩110用作至少三个功能。第一，盖罩110保护下面的零件不受损坏或污染。第二，盖罩110提供处于与核芯105顶部大致相同的高度处的平坦表面116。第三，盖罩110为在不使用打印机时覆盖核芯105的盖子提供均匀的密封表面。用盖子覆盖核芯105可以防止溶剂从墨水中蒸发。当溶剂蒸发时，剩下墨水固体。这些墨水固体会积累并导致包括堵塞喷嘴和墨滴位置错误的多个问题。盖子密封在盖罩110上将核芯105包围在密封的空穴中。当墨水开始从核芯105中蒸发时，密封的空穴中的湿度增加并防止进一步蒸发。

标记为4-4的虚线指示了图4的位置和观察方向。如下面所讨论的，图4示出了构架115中歧管开口的内部和核芯携载器107、109中的墨水通道。

图3A是包括核芯携载器108、核芯105和排线120的示例性核芯组件140的分解图。如上面所讨论的，核芯携载器108的下表面被密封在构架115（图2）中的歧管开口之上。核芯携载器108中的倾斜锥形通道150将流体从核芯携载器108的下表面139引导到核芯携载器108的上表面138。在核芯携载器108的上表面138处，倾斜锥形通道150具有与核芯105中的沟槽145大致相同的节距（pitch）和长度。因此，倾斜锥形通道150引导墨水从构架115（图2）中的歧管开口通过核芯携载器108到沟槽145中。

由于核芯携载器108的长度与核芯105相似，因此可以将核芯携载器108模制得足够平坦以允许核芯105在不需要成本高的二次操作的情况下与核芯携载器108结合。例如，如果25毫米长的核芯需要0.1毫米的上表面平坦度，则平坦度规格为核芯携载器长度的4%。这在热塑成型的精确度能力之内，不需要任何二次操作。

排线120附连到核芯触点106。根据一个实施例，排线120中的电导体是覆盖有金的铜条或铜线。这些铜条延伸到夹层聚合物膜之外。在一个例子中，利用条带自动结合（TAB）将铜条附连到镀金核芯触点106。在形成电连接部之后，可以执行多个额外操作以确保连接部在电气上/机械上牢固，并且排线120可以按所需角度离开连接部。例如，可用可固化聚合物（即，“胶滴浸没（glob topping)”）来封装连接部。在一些实施例中，少量可固化聚合物可以被沉积在排线120下并将排线120的下侧附连到核芯105和/或核芯携载器108。然后将额外量的可固化聚合物沉积在连接部的顶上。

图3B是核芯组件140的透视图。核芯组件140包括核芯105、核芯携载器108、排线120和核芯连接部124。核芯组件140是可以被单独测试以检验其功能性的模块化单元。例如，可对核芯组件140进行电测试，以检验排线120是否通过核芯连接部124与核芯105形成合适的电连接。电测试还可以包括核查核芯105的电功能。例如，通过将适当的测试仪器附连到排线120的相对端可以测量核芯105中各个加热元件的电阻。

图3B所示的核芯组件140的实施例具有面向右侧的核芯携载器108。为了形成具有面向左侧的核芯携载器108的核芯组件140，在将核芯105附连到核芯携载器108的上表面138（图3A）之前，将核芯携载器108转动180度。然而，核芯105和排线120的定向仍然相同。这允许在面向右和面向左的核芯携载器上的排线120出现在同一侧并简化它们与单个电路板125（图2）的连接。

核芯携载器108包括多个被构造为与盖罩110（图2）接口并且支撑着该盖罩的特征。在此例子中，支撑特征包括在核芯105每侧上的立柱135和在核芯携载器108每端处的转角137。这些支撑特征135、137的上表面形成在同一平面上。当盖罩110（图2）被放置就位时，支撑特征135、137与盖罩110（图2）的下表面接触。这为盖罩110（图2）的中心提供了额外的支撑。

图4是沿图2的线4-4截取的示例性宽阵列喷墨打印头组件的横截面视图。在此实施例中，截面取自两个背靠背的核芯携载器：面向左的核芯携载器107和面向右的核芯携载器109。如上面所讨论的，构架115为核芯携载器107、109提供结构支撑并且包含歧管开口166。歧管开口166的开口节距165显著大于核芯105的沟槽节距160。根据一个示例性实施例，开口节距165大于2毫米并且沟槽节距160小于1.5毫米。例如，开口节距165可以为约3毫米，并且沟槽节距160可以为约1毫米。

核芯105的尺寸是打印头100总成本中的重要因素。如上面所讨论的，核芯105可以利用光刻技术由硅晶片形成。可以想到的是，可以创建跨越打印头100和基片宽度的单个喷墨核芯105。由于多种原因，这种途径更加昂贵并且导致打印头不如使用一组较小核芯的打印头坚固。例如，制造单个大型核芯可能比相等数量的较小核芯更加昂贵，可能具有更紧的制造公差，并且更可能具有致命的制造误差，这会导致较大的核芯被废弃。此外，在操作中，较大的核芯由于其小的截面和较大的长度显然更易碎。此外，长度会加重较大核芯和支撑材料之间的热失配。因此，减小喷墨核芯的尺寸具有重大的成本和工程利益。

除了制造长度较短的核芯105之外，可以通过减小沟槽145之间的距离来最小化核芯105的宽度。例如，沟槽节距160可以减小到小于1毫米，而不损害喷发腔的操作。通过减小核芯105的宽度，可以用单个硅晶片制造更多核芯105，从而降低每个核芯的成本。

然而，将墨水供应到具有间隔更加紧密的沟槽的核芯是有挑战性的。具体地，制造跨越打印头长度并且还包含间隔小于1毫米的歧管开口的构架是有挑战性的。注塑成型法（其是低成本、大批量生产的方法）不能可靠地生产具有开口节距小于1毫米的歧管开口的构架。可以使用其它各种更加昂贵的途径。例如，可以用金属加工构架。然而，加工构架导致制造成本是注塑成型大二或三个数量级。

使用具有倾斜锥形缝槽150的核芯携载器107、109通过允许歧管开口节距165保持相对大的同时减小核芯沟槽节距160来解决此问题。仍可将构架115设计和制造为不昂贵的注塑成型部件并且可以减小核芯宽度来降低核芯105的成本。如上面所讨论的，倾斜锥形通道150用作歧管开口166和核芯沟槽145之间的流体接口。

此外，核芯携载器107、109中的通道150的倾斜性质可以最小化核芯105之间的背靠背距离170。以不同角度布置每个锥形通道150，以在歧管开口节距（例如2.5毫米）和核芯沟槽节距（例如小于1毫米）之间过渡。在交错排行的中心，核芯携载器107、109的倾斜锥形通道大体竖直。这允许核芯105被安置到核芯携载器的一侧，从而最小化在面向左和面向右的核芯携载器107、109上的核芯105之间的背靠背距离170。最小化核芯105之间的背靠背距离可以显著降低打印误差。例如，直接影响打印质量（诸如时间控制和滴飞行距离）的多种因素受核芯105之间的背靠背距离170影响。具体地，核芯107、109之间的横向距离越大，基片距离和滴飞行距离的可变性越大。诸如喷射时间控制的其它因素也受核芯105之间的背靠背距离170影响。

图5A和5B是两个不同的核芯和它们的墨水传送系统的一小部分的横截面视图。核芯位于图的底部，墨水通过缝槽/通道从图的顶部被传送到核芯。一般而言，可以沿任意定向操作喷墨核芯，但是通常将滴从核芯向下喷射到下面的基片上。

图5A是陷于平直有边歧管缝槽605中的气泡610的横截面视图。气泡610可以形成在由于各种原因而向喷墨核芯614供料的缝槽605和通道中。例如，气泡610可以被携带在墨水中并被墨水带入缝槽中。此外，气泡610可能已经进入穿过喷嘴。然而，气泡610形成在墨水中的更常见原因之一与墨水温度变化有关。与大多数流体相同，墨水具有随温度变化的包含溶解气体的能力。较冷的墨水相比于较暖的墨水可以包含更多的溶解气体。当墨水穿过歧管时，会由于吸收热喷墨操作产生的热量而变暖。较暖的墨水不再具有包含全部溶解气体的能力。因此，气体作为气泡610从墨水中排出。这些气泡610可以随时间增加而变大并最终堵塞缝槽605，这在喷发腔处产生压力差并且导致图像劣化。气泡610还可以迁移到喷发腔中，潜在地导致故障和损坏。因此，需要防止气泡610卡在核芯614附近并提供控制所产生的气泡610的机构。

在图5A所示的实施例中，气泡610卡在缝槽605中并且接触缝槽的两壁。当缝槽605的宽度减小时，气泡610更可能填充缝槽605并粘到侧壁上。气泡610的半径“R”取决于横跨气泡壁的压力差。气泡610倾向于沿将允许最大气泡半径的方向增大。这也是气泡610前进阻力最小的方向。由于气泡610陷入具有平行侧面的缝槽605中，因此气泡610将倾向于沿核芯614的方向增大，并且向更远的构架600方向增大，如箭头所示。这是不期望的，因为气泡610仍陷在缝槽605中并且有沿向上和向下两个方向增大的倾向。此外在打印期间，流体会向下行进到核芯，潜在地朝向核芯推动气泡。如上面所讨论的，随着气泡610的增大，将具有阻挡墨水流动和干扰核芯614中喷发腔的功能的倾向。

图5B是包括倾斜锥形通道155的核芯携载器108的横截面视图。气泡625在倾斜锥形通道155中。与夹槽605（图5A）不同，锥形通道155具有不平行的壁。气泡625倾向于沿阻力最小的方向增大，即朝向锥形通道155的较大端并远离核芯105。随着气泡增大，它可以通过逐渐沿锥形通道155向上移动而逸出并进入充气室或构架中的其它通路。一旦气泡625离开核芯105并且从核芯携载器108退出，则可以从墨水流中被提取出。

图6是组装宽阵列喷墨打印头组件的示例性方法的流程图。所述方法包括将核芯附连到核芯携载器（805），从而使得核芯上的沟槽与延伸穿过核芯携载器的倾斜锥形缝槽流体连通。将排线附连到核芯以形成核芯组件（810）。根据核芯携载器的定向核芯组件可以是右手侧或左手侧的。核芯组件是可以被单独测试以检验其功能的模块化零件（815）。例如，在将核芯组件合并到宽阵列打印头中之前可以电气地和/或流体地测试该核芯组件。

将多个核芯组件以背靠背交错构造附连到构架（820）。核芯组件横跨构架长度的主要部分延伸并且每个核芯组件的排线延伸到打印头的一侧，以便用最小长度的排线与单个电路板电连接。将排线附连到电路板（825），并且在核芯组件之上密封盖罩（830），并且核芯的上表面延伸到盖罩的空隙之外。如上面所讨论的，盖罩提供了围绕打印头的连续的覆盖表面，并且保护排线不受擦拭操作影响。在核芯携载器上的支撑立柱和其它特征支撑盖罩承受擦拭和覆盖力并且相对于核芯来定位盖罩的高度。

上面给出的描述和例子仅是示例性的。尽管描述了塑料和注塑成型，但是可以使用许多不同的材料和工艺。例如，可将填充聚合物、金属、陶瓷或其它材料塑形为打印头的各种零件。可能的制造方法包括注塑成型、机加工、激光加工、层叠和其它技术。此外，可以增加、省略或重新排序各个步骤。例如，在一些实施例中，可以在核芯被附连到核芯携载器之前将排线附连到核芯。可以增加封装排线连接部的步骤。还可以增加各种其它步骤。

总之，说明书和附图描述了合并有核芯携载器的宽阵列喷墨打印头组件。所述核芯携载器支撑着核芯，并且提供了构架中歧管开口之间的机械和流体接口。核芯携载器包含倾斜锥形缝槽，其使歧管开口的开口节距适应核芯上沟槽的节距。通过以交错的背靠背构形来布置核芯携载器，核芯携载器还允许最小化核芯之间的距离。核芯携载器提供了额外的优点，包括但不限于补偿构架平坦度的不规则和导引墨水中的气泡远离核芯。

前面的描述仅是出于例示和描述所述原理的实施例和例子而给出的。这些描述并不是排他性的，也无意将这些原理限制于所公开的任何确切形式。根据以上教导可以进行许多改进和变型。

Claims (15)

1.一种宽阵列喷墨打印头组件，包括：

构架，所述构架包括用于通过多个开口传送流体的歧管，这些开口具有开口节距；

多个喷墨核芯，所述喷墨核芯包括沟槽，这些沟槽具有小于所述开口节距的沟槽节距；以及

多个核芯携载器，所述核芯携载器包括多个倾斜锥形通道，所述倾斜锥形通道的一端具有与所述开口节距相匹配的第一节距并且与所述构架接口，所述倾斜锥形通道的另一端具有与所述沟槽节距相匹配的第二节距并且与所述喷墨核芯接口。

2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述核芯携载器具有在第一侧上的基本竖直的通道和在相对侧上的成角度的通道。

3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述核芯携载器背靠背地交错横跨所述喷墨打印头的长度，并且所述核芯携载器的一部分朝向左，所述核芯携载器的一部分朝向右。

4.根据权利要求3所述的组件，其中，在所述宽阵列喷墨打印头组件中，所有喷墨核芯都以相同的定向布置在所述核芯携载器上。

5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述喷墨核芯被连接到所述核芯携载器以形成核芯组件，并且所述核芯组件被连接到所述构架。

6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述倾斜锥形通道延伸了墨水流到所述喷墨核芯中的距离。

7.根据权利要求1所述的组件，其中，所述核芯携载器进一步包括用于支撑盖罩的多个支撑特征。

8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述支撑特征包括在所述核芯携载器的第一侧上的第一立柱和在所述核芯携载器的第二侧上的第二立柱。

9.根据权利要求7所述的组件，其中，核芯连接部包括导体中的弯曲部，这些导体从排线延伸到所述喷墨核芯上的触点，从而使得所述排线被安置在所述核芯携载器上所述多个支撑特征之下。

10.根据权利要求1所述的组件，其中，所述核芯携载器和所述构架都由注塑成型热塑性塑料制成。

11.根据权利要求1所述的组件，其中，所述开口节距大于2毫米，所述沟槽节距小于1.5毫米。

12.根据权利要求1所述的组件，其中，所述核芯携载器包括：

第一平坦表面；

第二平坦表面；

其中，所述多个倾斜锥形通道从所述第一平坦表面延伸通过所述核芯携载器到达所述第二平坦表面。

13.根据权利要求12所述的组件，其中，所述核芯携载器进一步包括用于支撑盖罩的多个支撑特征，所述多个支撑特征包括所述核芯携载器的第一侧上的第一立柱和所述核芯携载器的第二侧上的第二立柱。

14.根据权利要求12所述的组件，其中，所述第一节距大于2毫米，所述第二节距小于1.5毫米。

15.一种组装宽阵列喷墨打印头组件的方法，包括：

将喷墨核芯附连到核芯携载器，从而使得所述喷墨核芯上的沟槽与延伸穿过所述核芯携载器的倾斜锥形通道流体连通，所述沟槽具有沟槽节距；

将排线附连到所述核芯携载器以形成核芯组件；

将多个所述核芯组件以背靠背的交错构形附连到构架，从而使得所述核芯组件横跨所述构架的基本部分延伸，并且每个核芯组件的排线延伸到所述打印头的一侧；

其中，在所述多个核芯组件中的所述倾斜锥形通道与所述构架中的歧管开口流体连通，所述歧管开口具有大于所述沟槽节距的开口节距，

其中，所述倾斜锥形通道的一端具有与所述开口节距相匹配的节距并且与所述构架接口，所述倾斜锥形通道的另一端具有与所述沟槽节距相匹配的节距并且与所述喷墨核芯接口。